立式加工中心动力学分析及结构优化研究

研究了通过机床的动态特性分析进行结构优化的方法,提出了一种新的优化设计方案。针对对机床整机模态特性和谐响应特性,在有限元分析软件中对机床动态性能进行了仿真。分析结果表明,主轴箱和立柱为机床敏感部位,因此使用有限元分析软件对主轴箱进行拓扑优化,并且为立柱增加筋板。根据优化结果重新设计机床主轴箱和立柱结构,将优化后与未优化的机床的分析结果进行对比,结果表明机床的动态性能得到明显改善,主轴箱各阶固有频率提高10%左右,机床整机固有频率提高4%左右,x方向上的响应峰值减少约2%。     

基于遗传算法精密机床立柱的多目标优化

立柱是机床的核心部件之一,其动态特性是决定超精密机床加工精度的重要因素之一。以精密光纤微V沟磨床的立柱结构作为研究对象,通过仿真实验的方法给立柱的刀具磨削点上施加谐响应力,获得立柱在0～175 Hz下的动态响应参数。综合利用中心复合实验设计、响应曲面法、多目标遗传算法对立柱结构的最大谐响应振幅、立柱的质量及一阶固有频率为目标变量进行多目标优化,获得立柱设计变量的Pareto解。结果表明：经过多目标优化设计后,立柱质量没有增加的前提下,立柱的最大响应振幅大大降低,从而提高立柱的动态刚度和机床的加工精度。     

基于GA-GRNN的复合铣床立柱优化

立柱是复合铣床的主要承力部件,其质量直接影响机床的刚性和动态性能,进而影响加工质量,因此对有必要对复合铣床立柱质量进行优化设计。首先采用灵敏度分析法,获得影响立柱质量的敏感尺寸参数;其次基于均匀试验和GRNN神经网络分别建立立柱质量、前2阶固有频率和最大变形量的模型,并通过遗传算法对模型方程进行寻优求解,得出尺寸参数最优解组合;最后在优化后立柱的最大变形量不超过原立柱最大变形量的情况下,优化后的机床立柱的质量减轻了10.09%,前2阶频率分别提高了3.10%、2.42%,证明GA-GRNN优化机床立柱是可靠有效的,可以将其推广到更广泛的领域。     

基于元结构的加工中心立柱动态优化设计

以加工中心立柱为研究对象,根据快速设计及框架结构优选的设计思想,利用结构动态设计原理及有限元分析技术对立柱进行动态设计分析与结构优化.首先根据立柱结构的分析提取典型的元结构单元,然后对元结构进行拓扑优化设计,提出若干改进方案,并对改进方案进行模态对比分析.最后以立柱固有频率为优化目标,以优选的元结构为依据,对立柱进行重构设计,提高了立柱的动态特性.在机床的初步设计中,为其部件的优化设计提供了一定的参考价值,缩短了设计周期,提高了设计效率.     

刮齿机立柱的模态分析与优化设计

立柱作为刮齿机承载的关键零部件,其刚度和振动特性直接影响机床的加工精度,对刮齿机立柱进行静力学分析和模态分析,得出一种优化设计方案。首先,运用ANSYS进行建模,通过静力学分析找出应变最大处;其次对立柱进行模态分析,明确前6阶振型对刮齿机整体性能的影响,保证工作时的激振频率小于固有频率,避免产生共振损坏机床;然后基于出砂孔和加强筋的分布优化立柱结构,并调整壁厚对立柱进行轻量化设计;最后,通过仿真和模态试验验证设计方案的可行性。优化后立柱的总质量减轻了250.1kg,最大应变减小了7.668μm,达到5级机床精度要求,有效提高了立柱的强度和刚度。     

龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计

立柱作为龙门加工中心的重要支撑部件,其结构性能直接影响整个龙门加工中心的精度,可靠性和稳定性等性能指标.在对立柱进行静力,模态和能量分析的基础上,建立了基于ANSYS分析软件的立柱结构有限元模型和拓扑优化方法,找出立柱存在的薄弱环节并对立柱筋板结构实施了优化设计.最后,从经济性、动静态特性等方面对优化方案作了分析讨论,结果表明,该方法有效的提高了立柱薄弱区域的刚度及共振频率,从而改善了其加工精度及其稳定性.     

复合加工机床立柱动态特性分析及优化

在采用UG对机床立柱进行参数化建模的基础上,使用ANSYS的Workbench模块对立柱进行模态分析,发现立柱一阶模态频率较低。然后通过对立柱尺寸参数进行灵敏度分析,得到对立柱一阶模态频率和质量影响较大的尺寸参数,并通过改变这些参数获得不同尺寸下立柱的特性。以此建立神经网络模型,得到立柱尺寸与其一阶模态频率和质量的对应关系。再使用遗传算法以不同的优化目标进行优化,并比较结果。最后得到合适的优化方案。     

VHT800立式车铣加工中心立柱结构静动态优化及轻量化设计

研究了VHT800立式车铣加工中心立柱结构的静动态优化及轻量化设计方法,解决了企业经验设计结构存在的静、动态性能不足以及结构过于笨重的问题.首先基于机床实际典型工况下的立柱载荷及边界条件,运用拓扑优化技术建立了体积约束下的立柱结构多工况静态性能和动态性能多目标拓扑优化概念模型;然后对概念模型进行结构刚度设计及工艺设计.最终为企业提供了新的立柱结构方案,该方案的结构刚度和一阶固有频率比经验设计结构分别提高了13.6%和17.1%,同时质量减轻了9.7%,表明该设计方法能够有效提高机床立柱结构静、动态性能并实现结构轻量化设计.     

微型移动龙门式铣床结构优化设计

针对某微型移动龙门式数控铣床的结构薄弱处,提出一种基于拓扑优化以及正交试验设计方法的整机优化设计方法。首先,建立其本体有限元模型,在具体工况下对其进行了静力学分析,得到了位移、应力云图;通过模态分析,得到其前十阶模态固有频率和主振型。根据有限元分析结果,基于拓扑优化原理,以最小应变能为目标函数,立柱质量为约束条件,对微型铣床立柱进行了优化设计;采用正交试验的方法,以工作台自重下最大位移为优化目标,T形槽大小、槽间距、工作台厚度和工作台支撑面积为设计变量,对工作台进行了优化设计。最后对优化后整机结构进行了有限元仿真,结果表明优化后整机静动态性能有了明显提高。     

基于灵敏度分析的机床立柱结构动态优化设计

以固有频率的提高作为衡量结构动态性能的指标,采用灵敏度分析方法对立柱筋板布局和厚度参数进行了优化设计。利用得到的立柱优化方案建立新的整机模型,并进行重新分析以验证立柱的动态优化设计对整机性能的提高。     

基于iSIGHT的主轴动静态性能优化设计方法

主轴的变形和振动是影响机床加工质量和切削效率的主要因素之一.为提高主轴的静动态性能,提出了一种基于iSIGHT多学科优化集成软件环境的主轴结构优化设计方法和系统仿真流程.利用iSIGHT和APDL构建了一套结构优化集成系统,实现机床主轴的多目标优化设计.针对某型号卧式加工中心的主轴,应用自适应模拟退火算法对其结构参数进行优化.分析结果表明机床主轴动静态性能有一定程度的提高,优化方法是可行有效的.     

基于模态应变能灵敏度的数控机床床身结构分析与优化

基于床身有限元模型进行模态分析,选取1阶模态下模态应变能集中的位置,引入灵敏度分析方法对床身的设计尺寸进行优化。优化结果表明:优化后1阶模态应变能分布均匀,降低了床身质量,同时可以减少结构优化的盲目性,提高优化效率。文中的优化设计过程与方法可推广到机床其他部件的结构动态性能优化中,从而为机床整体结构动态特性的改进、优化设计提供了重要的方法和理论依据。     

立式加工中心支承系统敏感性分析及其结构设计

为了高效溯源出机床支承系统的刚性薄弱环节,提出了敏感性分析基础上面向支承系统加工精度的结构设计方法。基于敏感性分析结果,以支承系统加工精度影响明显的立柱为例进行了拓扑优化设计,提出了以静态应变能与静动组合应变能为优化目标响应的壁板与结构单元设计。在此基础上,将该机床的刀尖最大变形量作为优化设计的目标,兼顾支承系统的质量与固有频率,建立了支承系统中涉及立柱外壁板和结构单元的尺度优化设计方法。最后,立式加工中心支承系统在保证质量相对不变的条件下,对比分析了新设计方案与原方案的性能,其结果刚性提高了5%~11%,验证了支承系统敏感性分析方法及结构设计的有效性。     

组合赋权VIKOR法的重型机床动立柱设计优化

针对目前研究人员在进行立柱结构件优化设计时,重点放在立柱局部的结构或尺寸优化方面而对立柱内部筋板结构布局或整体结构布局研究不足,难以满足研发高精度、高可靠性重型机床对立柱高刚度、高抗振性、轻量化等综合需求,提出了组合赋权VIKOR法的重型机床动立柱设计优化方法。该方法综合考虑立柱传统结构、仿生结构、新材料等方面后设计了8种动立柱,然后利用有限元软件对其进行优化并计算了关键性能评价指标数值,最后使用组合赋权VIKOR法找出了最优方案。优化后的动立柱和原方案相比,质量减轻10.4%,1阶固有频率提升74.7%,总体方向静变形量减小31%、热变形量减小13.8%,表明优化后动立柱静态性能和动态性能显著提升,验证了组合赋权VIKOR法的重型机床动立柱设计优化方法有效可行。     

XH6650高速加工中心立柱拓扑优化

立柱作为XH6650高速加工中心的主要零件,其结构设计影响着机床的动态特性.依据连续体拓扑优化理论,本文提出了以体积为约束条件,机床的前三阶固有频率为目标函数,考虑非设计区域的拓扑优化方法.运用该方法对立柱结构进行优化,仿真结果表明加工中心的动态特性有较大提高.     

基于ANSYS的多功能车床动力刀塔立柱结构的优化设计

应用ANSYS优化设计模块的一阶优化方法,对多功能车床动力刀塔立柱的壁厚和筋板结构参数进行了优化。在相同载荷条件下,对优化前和优化后的模型进行静力分析和模态分析,结果显示,其静动态特性与优化之前相比变化不大,优化后的立柱体积与原有模型的体积相比有了明显减小。     

基于ANSYS/WORKBENCH的机床动态性能分析及改进

基于Pro/E与ANSYS/WORKBENCH协同仿真及优化的解决方案,建立了某精密卧式加工中心立柱结构的有限元分析模型。以提高其模态频率为目标,进行了结构型式及尺寸参数的优化设计。在考虑结合面单元特性的整机模型中验证优化效果,结果表明:在降低加工中心质量的同时提高了整机结构动刚度。优化设计方法及结果为机床设计提供了重要依据。     

BW60HS卧式加工中心整机模态测试

数控机床整机模态测试是分析机床抗振性、稳定性以及机床结构动力学优化设计的基础,同时也是解决机床振动问题的重要手段之一.在简要介绍数控机床模态测试原理的基础上,对沈阳机床集团BW60HS卧式加工中心的模态及动刚度进行了测试.获得了机床整机的固有频率、模态振型、阻尼比、动刚度等参数.通过测试发现,该机床滑板和立柱沿x方向的振动是该机床的薄弱环节,导致x方向动刚度显著降低.在综合分析的基础上,提出在清板和立柱内增设加强筋的方式来提高的整机系统的动结构性能.文章中的研究可为同类机床结构性能优化分析与实验提供必要的参考.     

基于Gray-Taguchi方法的汽车中立柱强度分布多目标优化设计

基于Gray-Taguchi稳健性优化设计方法,采用动力显式碰撞仿真与网格映射技术,对汽车中立柱的强度分布进行了考虑冲压塑性变形效应的多目标优化设计。首先建立考虑冲压效应的中立柱碰撞模型,分析了冲压效应对中立柱碰撞性能的影响;接着基于正交试验,选择最大侵入位移、最大侵入速度和吸能量3个指标为优化目标,采用Gray-Taguchi优化设计方法得到优化结果,并对最终的优化结果进行了整车侧碰仿真验证。经过优化,中立柱中部节点的最大侵入位移下降了5.6%,最大侵入速度下降了3.9%,吸能量提升了18.8%,即综合碰撞性能得到较大的提升。     

卧式加工中心立柱的轻量化设计研究

针对传统机床立柱设计中存在材料浪费、刚度不足与设计周期长等缺陷,以某卧式加工中心立柱为研究对象,运用有限元法对立柱进行静力学和模态分析,研究立柱的薄弱环节;然后利用Hyper Mesh软件,在保证立柱性能的前提下,以质量最小化为目标对立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化的材料分布结果设计了新的立柱结构,通过对新立柱进行有限元分析,结果表明,立柱的质量减轻了7.88%,刚度和固有频率均有不同程度的提高,达到了立柱轻量化设计的目标。